Physiker haben eine fünfzig Jahre alte Hypothese verifiziert, die die Herdenbildung als Folge von egoistischem Verhalten erklärt.
„Überraschenderweise kann das Handeln aus rein egoistischen Gründen zu einer fairen Situation innerhalb der Gruppe führen“, sagt Physikprofessor Clemens Bechinger. Dies wurde in einer kürzlich durchgeführten Studie seines Teams am Center for the Advanced Study of Collective Behavior (CASCB) an der University of California demonstriert Universität Konstanz, das Teil des Exzellenzclusters ist.
Die Forscher nutzten Computersimulationen, um zu untersuchen, wie Herdentiere ihr Prädationsrisiko verringern können. Die Studie basiert auf der von WD Hamilton im Jahr 1971 vorgeschlagenen Idee, dass sich Individuen in einer Herde so positionieren, dass ihr eigenes Prädationsrisiko auf Kosten ihrer Nachbarn reduziert wird. Die Ergebnisse wurden im veröffentlicht Zeitschrift für Theoretische Biologie.
Der Grund, warum sich viele Tiere in Herden organisieren, liegt nicht unbedingt an Geselligkeit oder Sozialverhalten. Ein Beispiel sind Robben: Alleine sind sie leichte Beute für Orcas oder Haie. Stattdessen ist es innerhalb einer Gruppe viel sicherer, weil dann die Gefahr eines Angriffs auf viele Personen verteilt wird. Am sichersten ist es in der Mitte der Gruppe, wo sich die Tiere auf engstem Raum zusammendrängen und ein Angriff dort eher auf einen nahen Nachbarn als auf einen selbst abzielt. Am Rand der Gruppe mit nur wenigen Nachbarn ist das Prädationsrisiko hingegen deutlich größer. Jedes Tier versucht also, an einen der begehrten Plätze in der Mitte zu gelangen.
Egoismus führt zu einer gerechten Risikoverteilung
Mit Hilfe künstlicher Intelligenz (Reinforcement Learning) untersuchten Clemens Bechinger und seine Kollegen, wie der Einzelne seine Position optimal ändern muss, um den Abstand zwischen sich und anderen möglichst gering zu halten, was wiederum das eigene Risiko, angegriffen zu werden, verringert.
„Weil diese Strategie das Risiko für Nachbarn erhöht, wird sie eindeutig als eigennützige Motivation gewertet“, sagt Veit-Lorenz Heute, der als Doktorand an dem Projekt arbeitet. Wie von Hamilton vorhergesagt, beobachteten die Physiker, dass zunächst verstreute Individuen später eine dichte Herde bildeten, weil dies den Abstand zum Nachbarn und damit das individuelle Angriffsrisiko verringerte.
„Die Berücksichtigung von Verstärkungslernen für Kollektive eröffnet eine Reihe neuer Möglichkeiten, das Verhalten von Tieren zu verstehen“, ergänzt Iain Couzin, Sprecher des CASCB und Professor für Biodiversität und kollektives Verhalten an der Universität Konstanz. „Es bietet eine elegante Möglichkeit zu fragen, wie adaptive Verhaltensweisen in dem komplexen sozialen Kontext entstehen können, der für Herden und Schwärme charakteristisch ist.“
Die Forscher waren jedoch überrascht zu sehen, was passierte, nachdem sich die Herde gebildet hatte.
Ihre Simulationen zeigen, dass das zeitlich gemittelte Prädationsrisiko für alle Individuen genau gleich ist. Offensichtlich können Mitglieder in der Mitte der Herde solch vorteilhafte Positionen nicht verteidigen, wenn andere Tiere auf diesen begehrten Platz drängen.
„Das liegt an der hohen Dynamik innerhalb der Gruppe, die es dem Einzelnen unmöglich macht, bestimmte optimale Positionen zu halten“, sagt Samuel Monter, der ebenfalls an der Studie beteiligt ist. Eine weitere interessante Beobachtung ist, dass durch diesen permanenten Wettbewerb um die besten Positionen die Gruppe beginnt, sich um ihr Gravitationszentrum zu drehen, ähnlich wie es bei vielen Tierherden zu beobachten ist.
„Unsere Studie zeigt, dass die Bildung von Gruppen nicht zwangsläufig auf deren geselliges Verhalten zurückzuführen ist, sondern sich auch durch die durchaus egoistische Motivation des Einzelnen erklären lässt, sich einen Vorteil auf Kosten anderer zu verschaffen“, so Bechinger abschließend. „Unsere Studie hilft nicht nur dabei, kollektives Verhalten in lebenden Systemen zu verstehen, sondern die Ergebnisse können auch nützlich sein, um optimale Strategien zu finden, wie autonome Robotergeräte programmiert werden müssen, um kollektive Aufgaben zu meistern.“
„Wir beobachten seit langem Wirbel in Tiergruppen und diese Arbeit gibt einen Einblick, warum das der Fall sein könnte“, fügt Iain Couzin hinzu. „Wenn jeder einzelne handelt, um das Risiko zu verringern, indem er sich anderen nähert, aber auch für Kollisionen bestraft wird, entstehen natürlich rotierende Wirbel, wie wir sie in Fischschwärmen und sogar einigen Hütetieren sehen.“
Referenz: „Dynamik und Risikoteilung in Gruppen egoistischer Individuen“ von Samuel Monter, Veit-Lorenz Heuthe, Emanuele Panizon und Clemens Bechinger, 2. Februar 2023, Zeitschrift für Theoretische Biologie.
DOI: 10.1016/j.jtbi.2023.111433
Die Studie wurde vom Exzellenzcluster „Center of the Advanced Study of Collective Behavior“ gefördert.
